Меню

Полуволновые антенны с резонаторным питанием

Многодиапазонная «полуволновая».

С тех пор как началось освоение коротких волн, у радиолюбителей неизменный интерес вызывают проволочные антенны, длина излучателя которых равна или кратна половине длины волны, а его возбуждение осуществляется с конца излучателя. В англоязычной литературе такие антенны так и называют — EFHW, что расшифровывается как «запитываемая с конца полуволновая» (end fed half wave) антенна. Пожалуй, наиболее известной из них является антенна Фукса, у которой возбуждение излучателя осуществляется посредством дополнительного параллельного колебательного контура, настроенного на рабочую частоту. Многих привлекает то, что по утверждению Фукса она не требует хорошей «земли» или «радиотехнической земли» (противовесов) в отличие от большинства простых антенн (многие проволочные антенны, GP и т. д.). Утверждение это ошибочное, хотя эта антенна действительно оказалась работоспособной без явных противовесов. Просто требования к ним у неё невысокие (не такие, как, например, у GP), и их роль часто выполняет то, что подключено к согласующему контуру (фидер, корпус передатчика).

Хотя EFHW антенна, по сути, многодиапазонная, но у неё сегодня есть и небольшой недостаток — она работает без проблем только на кратных («старых») КВ-диапазонах. А сейчас уже есть и несколько тех, что в эту сетку не попадают. Второй недостаток — это то, что на разных диапазонах такие антенны с неизменной электрической длиной излучателя имеют различные диаграммы направленности на различных диапазонах. Но этот недостаток есть абсолютно у всех подобных антенн, начиная с WINDOM. Однако на это всегда «закрывают глаза», поскольку в реальных городских условиях установить и одну проволочную антенну не всегда возможно.

Выходное сопротивление современных трансиверов и передатчиков низкое (обычно 50 Ом), а это значит, что для возбуждения полуволновой антенны, у которой высокое входное сопротивление (до нескольких кило-ом), необходимо согласующее устройство. Это могут быть и параллельный колебательный контур, как в антенне Фукса, и различные LC-цепи. Недостаток таких согласующих устройств в многодиапазонной антенне — необходимость переключений и подстроек при переходе с диапазона на диапазон.

Широкополосные высокочастотные трансформаторы на магнитопроводах из феррита уже давно применяются в транзисторных усилителях, в частности, в широкополосных усилителях мощности. Поэтому не стоит удивляться, что возникла идея запитать с конца полуволновый излучатель через такой трансформатор. Выигрыш понятен — при смене диапазонов не потребуются переключений в согласующем устройстве.

Один из вариантов подобной антенны был предложен голландским коротковолновиком PD7MAA [1]. Он использовал её для работы в полевых условиях, но она подходит и как стационарная в городе. Ведь многие коротковолновики вынуждены ограничивать своё «антенное хозяйство» проволочной антенной, выходящей из окна квартиры на близлежащий столб или дерево.

Он реализовал два варианта антенны — одну на диапазоны 80, 40, 20, 15 и 10 метров, а другую — на диапазоны 40, 20 и 10 метров. Они отличаются только исполнением излучателя. Вариант антенны на 40, 20 и 10 метров и её согласующего устройства приведён на рис. 1. Для неё А=10,1 м, В=1,85 м.

Рис. 1. Вариант антенны на 40, 20 и 10 метров и её согласующего устройства

Её излучатель образован полуволновым (для диапазона 20 метров) отрезком провода, катушкой индуктивности L1 и подключённым после этой катушки сравнительно коротким отрезком провода. Индуктивность катушки L1 выбрана такой (34 мкГн), что вместе со вторым отрезком провода электрическая длина излучателя близка к половине длины волны на диапазоне 40 метров. На диапазонах 20 и 10 метров эта катушка индуктивности работает как дроссель, практически «отсекающий» дополнительный отрезок от основной части излучателя, и его длина становится равной половине длины волны на диапазоне 20 метров и одной длине волны на диапазоне 10 метров. В результате на всех трёх диапазонах к согласующему устройству подключаются «полуволновые» излучатели. Распределение токов по излучателю для этих диапазонов приведено на рис. 2.

Рис. 2. Распределение токов по излучателю для диапазонов 7МГц, 14 МГц и 28 МГц

Читайте также:  Резервное питание автомагнитолы для сохранения настроек

Катушка индуктивности L1 намотана на пластиковом каркасе диаметром 19 мм и имеет 90 витков провода диаметром 1 мм.

Согласующее устройство получилось предельно простое — широкополосный ВЧ-трансформатор Т1 и корректирующий конденсатор С1. Оно размещается в небольшой пластмассовой коробке (рис. 3). Трансформатор выполнен на магнитопроводе FT 140-43 фирмы Amindon. Первичная его обмотка — 2 витка, вторичная — 16 витков. Обмотки намотаны проводом диаметром 1 мм.

Рис. 3. Согласующее устройство

Вторичная обмотка, как это видно на рис. 3, разделена на две разнесённые по кольцу части по 8 витков каждая. Особенность в конструкции этого трансформатора — это то, что провод первичной обмотки и провод первых двух витков вторичной обмотки (нижних по рис. 3) перевиты между собой. Это также хорошо видно на рис. 3. Конденсатор С1 служит для коррекции частотной характеристики согласую-щего устройства на диапазоне 28 МГц (10 метров). Его ёмкость может быть в пределах 100. 150 пФ. Он должен быть рассчитан на номинальное напряжение 1000 В.

На корпусе согласующего устройства установлены коаксиальный ВЧ-разъём XW1 для подключения кабеля, идущего от трансивера, и клемма Е1 для подключения излучателя антенны.

Это согласующее устройство рассчитано на мощность трансивера примерно 100 Вт.

Другой вариант антенны PD7MAA, предназначенный для работы на диапазонах 80, 40, 20, 15 и 10 метров, отличается лишь размерами излучателя и индуктивностью катушки L1. Для него размеры А=20,35 м и В=2,39 м, а катушка имеет индуктивность 110 мкГн.

Её также наматывают на каркасе диаметром 19 мм — 260 витков провода диаметром 1 мм.

На фидер у трансивера надо установить кабельный дроссель (надеть, например, ферритовую «защёлку»), а к согласующему устройству желательно подключить короткие противовесы. Их длина некритична — для антенны Фукса в литературе рекомендуется длина примерно 0,05λ.

Настройку излучателя у обоих вариантов антенны начинают с высокочастотных диапазонов. Катушка индуктивности L1 не является хорошим «режектором» (трапом, как в антенне типа W3DZZ), поэтому второй отрезок излучателя (В) может немного влиять на резонансную частоту излучателя. Соответственно может потребоваться некоторая коррекция её индуктивности. На самом низкочастотном диапазоне настройка сводится к подбору длины отрезка В, чтобы электрическая длина излучателя (его резонансная частота) на этом диапазоне (40 или 80 метров соответственно) была близка к «полволны».

Американская фирма PAR Electronics выпускает несколько антенн подобного типа, в том числе и антенну под названием EF-10/20/40 MKII на диапазоны 40, 20 и 10 метров [2]. Интересные данные её испытаний есть в Интернете [3, 4]. Эта антенна имеет согласующее устройство, рассчитанное на меньшую допустимую мощность (25 Вт), но в остальном очень близка к антенне PD7MAA. На рис. 4 приведена фотография набора для установки этой антенны.

Рис. 4. Набора для установки антенны

По данным фирмы, полоса её пропускания на диапазоне 20 метров по уровню КСВ=1,5 примерно 500 кГц. На диапазоне 40 метров она около 140 кГц по уровню КСВ=2, а на диапазоне 10 метров — около 900 кГц по уровню КСВ=1,5. Эти данные соответствуют фидеру с волновым сопротивлением 50 Ом. Иными словами, это очень приличные значения по полосе пропускания для простой многодиапазонной антенны.

В описании антенны приведены данные, которые могут быть полезны при настройке антенны PD7MAA. Изменение длины основной части излучателя и дополнительного его отрезка (А и В на рис. 1) на 1 дюйм (2,5 см) приводит к сдвигу полосы пропускания на 30. 35 кГц.

1. PD7MAA homepage. — URL: http:// pa-11019.blogspot.ie (17.07.15).

2. HF END-FEDZ. — URL: http://www. parelectro nics.com/end-fedz.php (17.07.15).

3. LNR Precision EF-10/20/40 MKII examination. — URL: http://www.hamradio. me/antennas/lnr-precislon-ef-102040mkii-examination.html (17.07.15).

4. LNR Precision EF 10/20/40 MKII test data. — URL: http://www.hamradio.me/ antennas/lnr-precision-ef-1 02040mkii-test-data.html (17.07.15).

Автор: Борис Степанов (RU3AX), г. Москва

Мнения читателей

Антенны из данной статьи опробованы . всё отлично работает в городе ! Прямо из окна второго этажа напротив к дереву, и оплётка заземлена настоящим заземлением( так эфективней работать начала,гороздоооо) кондесатор поставил переменный простой играюсь пока им. )

Читайте также:  Коробка ввода питания terminator

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Источник

Основы радиолокации

Полуволновая антенна

Полуволновая дипольная антенна представляет собой простейшую резонансную структуру среди антенных технологий. Такие антенны используются в качестве основного элемента в антеннах почти всех форм, а также иногода рассматриваются в качестве эталонной антенны наряду с изотропным всенаправленным излучателем.

Большинство излучателей в заданном направлении излучают сильнее, чем в любом другом направлении. Излучатели такого типа называют анизотропными.

Полуволновая антенна (называемая также дипольной антенной, антенной Герца, диполем Герца, полуволновым вибратором) состоит из двух отрезков проволоки или трубки, каждый из которых имеет длину, равную ¼ длины рабочей волны антенны. Такая антенна является базовым элементом, из которого конструируются много более сложных антенн. Для полуволнового диполя протекающий по нему ток имеет максимальное значение в центре, а минимальные — по краям диполя. Напряжение, напротив, минимально в центре диполя и максимально на его краях.

Энергию к такой антенне можно подавать, подключив линию передачи от выходного каскада передатчика к отрезкам, из которых состоит антенна. При использовании двухпроводной линии передачи, например, коаксиального кабеля, центральная его жила подключается к одному плечу, а оплетка — к другому. Поскольку в этом случае точка питания антенны находится в ее центре (точке минимума напряжения и максимума тока), такой тип питания называют центральным питанием или токовым питанием . Выбор точки питания дипольной антенны важен с точки зрения типа используемой линии питания.

Стоячие волны тока и напряжения возникают так же, как и в параллельном колебательном контуре. В отличие от изотропного излучателя, коэффициент усиления которого равен 1, полуволновая антенна имееет коэффициент усиления уже около 1,5, при этом максимум излучения приходится в направлении, перепендикулярном ее оси.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны

Источник



Резонансное питание антенны

В случае, когда волновое сопротивление линии питания значительно отличается от входного сопротивления, в линии возникает стоячая волна. Подбором длины линии можно получить соответствующую трансформацию сопротивления, а на входе линии — желаемое значение входного сопротивления. Этим способом достигается согласование сопротивления линии с входным сопротивлением приемника или выходным сопротивлением передатчика, или волновым сопротивлением дополнительной нерезонансной линии питания.

Общая теория таких линий была рассмотрена ранее (см § 2.2). Ниже более подробно рассмотрим частный случай, а именно линию питания длиной l = λ/2 (рис. 3.2). Известно, что такая линия без изменения трансформирует сопротивление RA во входное сопротивление Rвх линии, и этот процесс не зависит от собственного волнового сопротивления Z полуволновой линии. Отметим, что это свойство линии используется и для других целей, например для измерения сопротивления, расположенного на конце длинной линии, длина которой кратна половине длины волны. Этот способ особенно важен при измерении входного сопротивления антенны, когда использованием длинной линии (например, с l = 5λ) можно полностью исключить ошибки, вызванные полями излучения антенны. Влияние полей излучения неизбежно, если проводить измерение, непосредственно подключившись ко входу антенны. Напомним, что физические и электрические длины линии отличаются между собой, и это отличие характеризуется коэффициентом укорочения. В рассматриваемом случае речь везде шла об электрической длине линии питания.

Ряд радиолюбительских антенн используется как на собственной частоте fр, так и на частотах, соответствующих ее гармоникам 2fр, 3fр, 4fр и т. д. В данном случае линия питания, полуволновая для частоты fр, оказывается кратной полуволновой линией и для частот гармоник и, следовательно, сохраняет на этих частотах свои свойства.

Другим важным частным случаем резонансной линии питания является линия длиной l = λ/4 с волновым сопротивлением Z. Для нее трансформация сопротивления антенны ZA во входное сопротивление Zвх подчиняется уже известному нам закону Zвх = Z 2 /ZA. Напомним, что для согласования с помощью такой линии сопротивления антенны ZA с входным сопротивлением Zвх необходимо, чтобы волновое сопротивление линии удовлетворяло равенству $Z_0 = \sqrt()$. Аналогичные свойства имеет линия, длина l которой равна нечетному числу четвертой длины волны, т. е. l = (2n — 1)λ/4. Как правило, четвертьволновые трансформаторы используются для согласования двух сильно различающихся сопротивлений. В табл. 3.1 приведены конкретные примеры применения четвертьволнового согласующего трансформатора сопротивлений.

Читайте также:  Презентации по теме система питания дизеля
ТАБЛИЦА 3.1. Наиболее часто встречающиеся случаи применения четвертьволнового согласующего трансформатора сопротивлений

RA Z Rвх Применение
100 245 600 Воздушная симметричная линия
60 190 600 То же
100 167 280 »
50 750 112 Коаксиальные линии
33 75 171 То же
48 60 75 Коаксиальные линии
33 50 75 То же
22 50 112 »
28 37,5 50 Две параллельные линии, Z = 75 Ом
19 37,5 75 То же
12 30 75 Две параллельные линии Z = 60 Ом
18 30 50 То же
12,5 25 50 Две параллельные линии, Z =50 Ом
8,4 25 75 То же
5,6 16,7 50 Три параллельные линии, Z = 50 Ом
3,7 16,7 75 То же

Для расширения диапазона трансформации можно применить схемы с двукратной трансформацией, приведенную на рис. 3.2в. Можно также применять схемы, в которых четвертьволновый трансформатор выполнен в виде параллельного соединения нескольких линий. Однако в последнем случае при монтаже необходимо добиваться полной симметрии и высокой точности выполнения всех электрических длин линий трансформатора.

Отметим, что полуволновые и четвертьволновые трансформаторы обладают описанными свойствами только на одной частоте. Изменение частоты или длины трансформаторов приводит к появлению реактивной составляющей входного сопротивления и изменению активной составляющей.

На рис. 3.3 приведены графики изменения Rвх и Хвх на входе линии, имеющей волновое сопротивление Z = 50 Ом и нагруженной на RA = 25 Ом, в зависимости от электрической длины линии, т. е. от l. Из графиков видно, что изменение Rвх минимально вблизи значений l/λ = 0,5 и l/λ = 0,25. Однако при этом в больших пределах изменяется величина Zвх. Обратим внимание на то, что при l/λ = 0,15 сопротивление Rвх = Z и не зависит от RA.

Сильное изменение реактивной составляющей Хвх четвертьволнового трансформатора при незначительном изменении его электрической длины можно, в принципе, использовать для компенсации реактивной составляющей сопротивления антенны. Однако на практике этого не всегда удается добиться ввиду сложности определения реальных значений Хвх и ХA. Поэтому чаще применяются схемы трансформаторов, выполненных на сосредоточенных элементах L и С и имеющих возможность плавного изменения их параметров.

Для согласования двух коаксиальных линий, имеющих различные волновые сопротивления Z01 и Z02, можно вместо согласующего коаксиального четвертьволнового трансформатора с волновым сопротивлением $Z_т=\sqrt(Z_<01>Z_<02>)$ применить устройство, схема которого изображена из рис. 3.2д (как правило, коаксиальный кабель с нужным волновым сопротивлением нельзя подобрать из числа выпускаемых промышленностью). Формула для определения длин отрезков l = l1 = l2 имеет вид $$\begin\ctg^2=\frac+\frac+1\end\label<3.1>$$

Пусть необходимо согласовать две коаксиальные линии, у которых Z1 = 75 Ом и Z2 = 50 Ом. Из формулы (3.1) находим, что ctg 2 kl = 50/75+75/50+1 = 3,16. Следовательно, ctg kl = √3,16 = 1,78. Тогда kl = 29,3° = 0,51 рад, а l = 0,51λ/2π = 0,0814λ.

Таким образом, чтобы согласовать два кабеля с волновыми сопротивлениями Z1 = 75 Ом и Z2 = 50 Ом, достаточно разместить между ними два дополнительных отрезка тех же коаксиальных кабелей по схеме рис. 3.1д, а длина каждого из этих отрезков составляет l = 0,0814λ.

Используя подобный метод согласования с помощью двух отрезков с волновыми сопротивлениями Z1 и Z2, можно трансформировать не только Z1 в Z2, но также и Z1 в Z3.

На рис. 3.2е приведена схема согласования сопротивления Z1 с сопротивлением Z3 (которое может быть комплексным) с помощью двух отрезков линии, один из которых имеет волновое сопротивление Z1, а второй — Z2. Формулы для определения необходимых длин отрезков l1 и l2 приведены ранее [см. (2.85) и (2.86)].

Источник